Felietony

W serialu „Star-Trek” w odcinku wyemitowanym w 1987 roku zaprezentowany został tzw. Replikator wytwarzający dowolny obiekt na życzenie. Każdy, kto wtedy wysunąłby tezę, że podobne urządzenia rodem z XXIV wieku będą używane w przemyśle już za kilkanaście lat na Ziemi, zostałby uznany za niespełna rozumu. Tymczasem obecnie druk 3D niesamowicie ułatwia pracę inżynierom, projektantom, zwiększa efektywność wielu gałęzi przemysłu i znakomicie uzupełnia wiele tradycyjnych metod produkcji.

Na wstępie należy zaznaczyć, że powszechnie stosowana nazwa „druk 3D” jest nieco niefortunna, gdyż kojarzy się z wynalazkiem Johannesa Gutenberga, a zatem metodą druku dwuwymiarowego. Trafną i profesjonalną nazwą druku przestrzennego jest wytwarzanie przyrostowe lub addytywne.
Wytwarzanie addytywne jest przeciwieństwem substraktywnego, którego najlepszym przykładem jest obróbka skrawaniem CNC.

Zamiast obrabiać lub „odejmować” materiał, aby uformować obiekt – podobnie jak rzeźbiarz wycina drewno lub usuwa glinę — druk 3D dodaje warstwę po warstwie materiału, aby zbudować obiekt, ale tylko tam, gdzie jest to potrzebne. Projektanci i inżynierowie produktów przesyłają plik cyfrowy (CAD) do drukarki 3D, która następnie wytwarza detal. Najczęściej stosowanymi materiałami są tworzywa termoplastyczne, ale technologia obejmuje także fotopolimery, żywice epoksydowe, metale i inne. Najnowocześniejsze biotusze, w których wykorzystuje się mieszaninę ludzkich komórek i żelatyny, są również wykorzystane do drukowania złożonych modeli tkanek w 3D. Nawet materiały jadalne, takie jak czekolada są używane w drukarkach 3D.

To, co odróżnia hobbystyczne drukarki od przemysłowych, to dużo większa dokładność, a także być może przede wszystkim, przewidywalność i powtarzalność wydruków.
Biorąc pod uwagę zastosowania przemysłowe i labolatoryjne, najbardziej popularne są technologie FDM, PolyJet oraz PBF. Pokrótce opiszę każdą z nich.

FDM ( ang. Fused Deposition Modelling ) opatentowana przez firmę Stratasys – pioniera w druku 3D, polega na osadzaniu kolejnych warstw modelu poprzez ekstruzję termoplastów przez rozgrzaną dyszę. Wykorzystywana jest do druku prototypów i gotowych narzędzi. Stosowane materiały wysokowytrzymałe (w tym niepalne, odporne na czynniki toksyczne, rozpraszające ładunki elektromagnetyczne) czy inżynieryjne znajdują zastosowanie praktycznie w każdej gałęzi przemysłu. Najciekawsze zastosowania obserwujemy w branży motoryzacyjnej, lotniczej, kosmicznej, medycznej i militarnej.

Polyjet, z kolei nieco przypomina klasyczny druk tuszem, tyle że zamiast nakładania kropli na papier, drukarka nakłada krople fotopolimeru na stół roboczy i utwardza go światłem UV. Ta niezwykle precyzyjna metoda drukowania części, narzędzi i prototypów pozwala na dokładne odwzorowanie nawet najtrudniejszych modeli dzięki drukowaniu z warstw już od wysokości 16 mikronów.

PBF ( ang. Powder Bed Fusion ) polega na selektywnym, warstwowym spiekaniu metalowego proszku przez laser. Wdrożenie druku 3D z metalu skraca czas produkcji, przyspiesza pracę inżynierów, zmniejsza straty materiałowe oraz umożliwia budowanie wytrzymałych konstrukcji metalowych z mniejszą ilością połączeń spawanych. Druk 3D z metalu pozwala również na tworzenie skomplikowanych i unikatowych konstrukcji, których wcześniejsza produkcja była zbyt czasochłonna lub wręcz niemożliwa.

Korzyści biznesowe płynące z zastosowania wytwarzania addytywnego to między innymi swoboda projektowania, skrócenie czasu cyklu produkcyjnego, redukcja kosztów, łatwa personalizacja i zróżnicowanie produktów oraz ekonomicznie opłacalna produkcja w małych i średnich seriach.

Zalety oprzyrządowania produkcyjnego drukowanego w 3D obejmują produkcję na żądanie, dostosowywanie i digitalizację projektów i nieskrępowaną elastyczność projektowania. Eliminuje to kosztownych dostawców, skraca czas realizacji zamówień, umożliwia cyfrowe magazynowanie i zwiększa efektywność hali produkcyjnej. Jeśli chodzi o utrzymanie ruchu, to druk 3D jest znakomitym rozwiązaniem do szybkiego dostępu do części zamiennych i ramion robotów niezbędnych dla funkcjonowania linii produkcyjnych. Ramiona robotów wykonane w technologii FDM przy użyciu wytrzymałych materiałów są lżejsze od swoich metalowych odpowiedników i dorównują im wytrzymałością. Mogą mieć ukryte w swej strukturze kanały oraz minimalizują uszkodzenia innych elementów linii w przypadku kolizji.

W porównaniu do tradycyjnych metod produkcji, takich jak obróbka CNC czy formowanie wtryskowe, druk 3D jest znacznie szybszy w przypadku niskich wolumenów, a także znacznie tańszy.

Wprowadzanie nowych produktów na rynek jest znacznie przyśpieszone. W czasie potrzebnym do wykonania klasycznej formy wtryskowej, drukarka może wykonać wiele zróżnicowanych prototypów za znacznie mniejszą cenę. Wysoce realistyczne prototypy wydrukowane na wielokolorowych materiałach wyglądają i odzwierciedlają wiele cech produktu końcowego. Pozwala to na podejmowanie szybszych i lepszych decyzji.

Ciekawe zastosowania druku 3D obserwujemy w lotnictwie gdzie materiały muszą spełniać rygorystyczne kryteria. W 2020 roku Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych rozpisały konkurs na alternatywne rozwiązania inżynieryjne dotyczące zacisków hydraulicznych do przewodów eksploatowanych tysiącami w myśliwcach F-16. Zespół używający drukarki Stratasys Origin One wygrał konkurs, a ostateczna, zoptymalizowana konstrukcja zacisku dla zastosowanego w samolocie F-16 podwoiła wytrzymałość oryginalnej części, przy mniejszej wadze.
W wojskowości maszyny 3D pozwalają na druk części zamiennych w bezpośrednim zapleczu działań wojennych.

Przykładem z branży kosmicznej są wydrukowane w technologii FDM wielowiązkowe układy anten fazowych do programu NASA COSMIC-2 lub około 70 części łazika marsjańskiego, które spełniły wymagania wytrzymałości na marsjańskim terenie.

W medycynie zaś wykorzystywane są certyfikowane materiały biokompatybilne to znaczy dopuszczone do kontaktu ze skórą, kośćmi, błoną śluzową i mogące być poddawane sterylizacji. Wykorzystywane są do tworzenia biomechanicznie dokładnych, wieloteksturowych modeli anatomicznych takich jak: kręgosłupy, kręgi, dyski, korzenie nerwowe czy serca z wysoką dokładnością strukturalną i biomechaniczną. Te bardzo dokładne, realistyczne i funkcjonalne modele umożliwiają symulację procedur klinicznych, takich jak wiercenie i rozwiercanie, cięcie, szycie czy też przeprowadzanie testów przedklinicznych i badań naukowych z wykorzystaniem modeli reagujących na promieniowanie, które można poddać obrazowaniu CT lub rentgenowskiemu.

Wytwarzanie przyrostowe, czyli technologia 3D to narzędzie, które może mieć znaczący wpływ na rozwój wielu branż, takich jak medycyna, lotnictwo, motoryzacja czy produkcja. Dzięki niemu można tworzyć bardziej złożone, lekkie i wytrzymałe konstrukcje, oszczędzać materiały i czas, a nawet ratować ludzkie życie. Science-fiction 3D w przemyśle to nie tylko marzenie futurystów, ale już realna rzeczywistość i wyzwanie dla nauki, biznesu i społeczeństwa. Jest to narzędzie pozwalające, jak to powiedział dr Zefram Cochrane w 2119 roku: „Śmiało kroczyć tam, gdzie nie dotarł jeszcze żaden człowiek”.

Autor: Piotr Hanyga.
Wpis ukazał się pierwotnie w raporcie o druku 3D na stronie Raport: różnorodne zastosowania druku 3D w przemyśle | Utrzymanie Ruchu